Введение

Смерть клетки, опосредованная внутриклеточной программой, часто как часть развития.

Программируемая смерть клетки (PCD; иногда называемая клеточным самоубийством) – это смерть клетки в результате событий, происходящих внутри нее, таких как апоптоз или аутофагия. ПКД осуществляется в рамках биологического процесса, который обычно дает преимущество в течение жизненного цикла организма. Например, дифференциация пальцев рук и ног у развивающегося человеческого эмбриона происходит из-за апоптоза клеток между пальцами, в результате чего пальцы становятся разделенными. ПКД выполняет фундаментальные функции в процессе развития тканей как растений, так и животных. Апоптоз и аутофагия – это формы программируемой гибели клеток. Некроз – это смерть клетки, вызванная внешними факторами, такими как травма или инфекция, и протекает в различных формах. Долгое время некроз рассматривался как нефизиологический процесс, возникающий в результате инфекции или повреждения, однако впоследствии был признан альтернативной формой программируемой гибели клеток. Предполагается, что некроптоз может служить резервным механизмом гибели клеток в случае блокировки апоптотической сигнализации эндогенными или экзогенными факторами, такими как вирусы или мутации. В последнее время были обнаружены и другие типы регулируемого некроза, которые имеют общие сигнальные пути с некроптозом и апоптозом.

История

Концепция "программированной гибели клеток" была использована Локшином и Уильямсом в 1964 году применительно к развитию тканей насекомых, примерно за восемь лет до появления термина "апоптоз". Однако термин ПГК стал источником путаницы, и Дюран и Рэмси развили эту концепцию, предложив механистические и эволюционные определения. ПГК стал общим термином, обозначающим все различные типы клеточной гибели, имеющие генетическую основу. Первые сведения о механизме были получены при изучении BCL2 – продукта предполагаемого онкогена, активируемого хромосомными транслокациями, часто встречающимися при фолликулярной лимфоме. В отличие от других генов рака, которые способствуют развитию рака, стимулируя пролиферацию клеток, BCL2 способствовал развитию рака, блокируя способность клеток лимфомы к самоуничтожению. ПГК привлекает все больше внимания и исследовательских усилий. Эта тенденция была отмечена присуждением Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2002 году Сидни Бреннеру (Великобритания), Х. Роберту Хорвицу (США) и Джону Э. Сулстону (Великобритания).

Типы

Апоптоз, или гибель клеток типа I. Автофагия, или гибель клеток типа II. (Цитоплазматическая: характеризуется образованием крупных вакуолей, которые последовательно разрушают органеллы перед гибелью ядра.)

Апоптоз

Апоптоз – это процесс программируемой клеточной гибели (ПГК), который может происходить в многоклеточных организмах. Биохимические события приводят к характерным изменениям клетки (морфологии) и ее гибели. Эти изменения включают блеббирование, сокращение клетки, фрагментацию ядра, конденсацию хроматина и фрагментацию хромосомной ДНК. В настоящее время считается, что в контексте развития клетки стимулируются к активному самоуничтожению, а в гомеостатическом контексте отсутствие определенных факторов выживания может стать толчком к самоуничтожению. Наблюдается некоторая вариативность в морфологии и биохимии этих путей самоуничтожения: одни следуют по пути "апоптоза", другие – по более общему пути к удалению, но оба обычно генетически и синтетически обусловлены. Есть данные, что некоторые признаки "апоптоза", такие как активация эндонуклеазы, могут быть ложно индуцированы без запуска генетического каскада, однако, вероятно, истинный апоптоз и программируемая гибель клеток должны быть генетически опосредованы. Также становится очевидным, что митоз и апоптоз взаимосвязаны или переключаются друг в друга, и достигнутый баланс зависит от сигналов, получаемых от соответствующих факторов роста или выживания.

Внешние и внутренние пути[править]

Существует два различных потенциальных пути, которые могут быть реализованы при необходимости апоптоза. Это внешний и внутренний пути. Оба пути включают использование каспаз, играющих ключевую роль в гибели клеток.

Внешний путь[править]

Внешний путь включает специфическое взаимодействие лиганда с рецептором. Лиганд FAS связывается с рецептором FAS, либо лиганд TNF-альфа может связываться с рецептором TNF. В обоих случаях происходит активация инициаторной каспазы. Внешний путь может быть активирован двумя путями. Первый – это быстрое связывание лиганда TNF-альфа или посредством цитотоксических Т-клеток. Цитотоксическая Т-клетка может прикрепляться к мембране, способствуя высвобождению гранзима B. Гранзим B перфорирует мембрану клетки-мишени и, в свою очередь, обеспечивает высвобождение перфорина. В конечном итоге, перфорин создает поры в мембране и высвобождает каспазы, что приводит к активации каспазы-3. Эта инициаторная каспаза может вызывать расщепление неактивной каспазы-3, превращая ее в активированную каспазу-3. Это последняя молекула, необходимая для запуска клеточной смерти.

Внутренний путь[править]

Внутренний путь запускается повреждением клеток, таким как повреждение ДНК или воздействие УФ-излучения. Этот путь протекает в митохондриях и опосредован сенсорами, называемыми Bcl-сенсорами, и двумя белками – BAX и BAK. Эти белки обнаружены у большинства высших млекопитающих, поскольку они способны проникать через внешнюю мембрану митохондрий, что делает их неотъемлемой частью опосредования гибели клеток посредством апоптоза. Они осуществляют это, координируя формирование пор в мембране, что необходимо для высвобождения цитохрома c. Однако высвобождение цитохрома c происходит только при нарушении целостности митохондриальной мембраны. После обнаружения цитохрома c формируется апоптосомный комплекс. Этот комплекс активирует эффекторную каспазу, вызывающую гибель клеток. Уничтожение клеток может быть жизненно важным, поскольку предотвращает неконтролируемый рост клеток, который может привести к заболеваниям, таким как рак. Следует также упомянуть два белка, которые ингибируют высвобождение цитохрома c из митохондрий. Bcl 2 и Bcl xl обладают антиапоптотическим действием и, следовательно, предотвращают гибель клеток. Существует потенциальная мутация, которая может привести к гиперактивности Bcl 2. Это транслокация между хромосомами 14 и 18. Такая чрезмерная активность может способствовать развитию фолликулярной лимфомы.

Автофагия

Макроавтофагия, часто называемая автофагией, — это катаболический процесс, результатом которого является аутофагосомная лизосомная деградация значительного объема цитоплазматического содержимого, аномальных белковых агрегатов и избыточных или поврежденных органелл. Автофагия обычно активируется при недостатке питательных веществ, но также связана с физиологическими и патологическими процессами, такими как развитие, дифференцировка, нейродегенеративные заболевания, стресс, инфекции и рак.

Механизм

Критическим регулятором индукции аутофагии является киназа mTOR, которая при активации подавляет аутофагию, а при ее неактивации стимулирует ее. Три родственные серин/треонин-киназы, UNC 51-подобные киназы 1, 2 и 3 (ULK1, ULK2, ULK3), выполняющие аналогичную роль, как и Atg1 у дрожжей, действуют ниже по течению от комплекса mTOR. ULK1 и ULK2 образуют крупный комплекс с млекопитающим гомологом продукта гена, связанного с аутофагией (Atg) (mAtg13), и каркасным белком FIP200. Для индукции аутофагии необходим комплекс PI3K класса III, содержащий hVps34, Beclin 1, p150 и Atg14-подобный белок или ген, связанный с устойчивостью к ультрафиолетовому облучению (UVRAG). Гены ATG контролируют формирование аутофагосомы посредством комплексов ATG12, ATG5 и LC3 II (ATG8 II). ATG12 конъюгируется с ATG5 в убиквитин-подобной реакции, требующей ATG7 и ATG10. Конъюгат Atg12–Atg5 затем нековалентно взаимодействует с ATG16, образуя крупный комплекс. LC3/ATG8 расщепляется у C-конца протеазой ATG4, образуя цитозольный LC3 I. LC3 I конъюгируется с фосфатидилэтаноламином (PE) также в убиквитин-подобной реакции, требующей Atg7 и Atg3. Липидированная форма LC3, известная как LC3 II, присоединяется к мембране аутофагосомы. Автофагия и апоптоз связаны как положительно, так и отрицательно, и между ними существует значительное перекрестное взаимодействие. При дефиците питательных веществ аутофагия функционирует как механизм, способствующий выживанию, однако избыточная аутофагия может привести к гибели клеток, процесс, морфологически отличающийся от апоптоза. Несколько проапоптотических сигналов, таких как TNF, TRAIL и FADD, также индуцируют аутофагию. Кроме того, Bcl-2 ингибирует аутофагию, зависимую от Beclin 1, тем самым функционируя как про-выживающий и как анти-аутофагический регулятор.

Роль в развитии нервной системы

Первоначальное расширение развивающейся нервной системы уравновешивается удалением нейронов и их отростков. В процессе развития нервной системы около 50% формирующихся нейронов естественным образом удаляются посредством запрограммированной гибели клеток (ПГК). Запрограммированная гибель клеток в нервной системе была впервые описана Джоном Бердом в 1896 году. С тех пор было предложено несколько теорий для понимания её биологической значимости в ходе нервного развития.

Роль в нервном развитии

Программируемая клеточная гибель (ПКД) в развивающейся нервной системе наблюдается как в пролиферирующих, так и в постмитотических клетках. Этот процесс гибели клеток был выявлен в зародышевых зонах коры головного мозга, мозжечка, таламуса, ствола мозга и спинного мозга, а также в других областях. Преобладающая теория, объясняющая это наблюдение, – нейротрофическая теория, утверждающая, что ПКД необходима для оптимизации связей между нейронами и их афферентными входами и эфферентными мишенями. Вероятно, ПКД в процессе развития нервной системы выполняет различные функции, определяемые стадией развития, типом клеток и даже видом. Согласно этой теории, для обеспечения оптимальной иннервации мишеней сначала производится избыток нейронов, которые затем конкурируют за ограниченное количество защитных нейротрофических факторов, и лишь часть из них выживает, а остальные погибают посредством запрограммированной клеточной гибели. Идея о том, что клетки-мишени секретируют привлекательные или индуктивные факторы, а их ростовые конусы обладают хемотаксической чувствительностью, была впервые предложена Сантьяго Рамоном-и-Кахалем в 1892 году. Кахаль представил эту идею как объяснение "разумной силы", которую, по-видимому, проявляют аксоны при поиске своей мишени, но признал отсутствие эмпирических данных. Эксперименты, подтвердившие эту теорию, привели к идентификации первого нейротрофического фактора – фактора роста нервов (NGF).

Периферическая и центральная нервные системы

Различные механизмы регулируют ПКД в периферической нервной системе (ПНС) и центральной нервной системе (ЦНС). В ПНС иннервация мишени пропорциональна количеству высвобождаемых нейротрофных факторов NGF и NT3. Экспрессия нейротрофиновых рецепторов TrkA и TrkC достаточна для индуцирования апоптоза в отсутствие их лигандов. Пересаженные клетки погибали в возрасте двух недель, в том же возрасте, в котором эндогенные интернейроны подвергаются апоптозу. Независимо от размера трансплантата, доля клеток, подвергающихся апоптозу, оставалась постоянной. Кроме того, нарушение функции TrkB, рецептора нейротрофического фактора, полученного из мозга (Bdnf), не влияло на гибель клеток. Также было показано, что у мышей, у которых отсутствует проапоптотический фактор Bax (белок Bcl 2, связанный с X), выживает больший процент интернейронов по сравнению с мышами дикого типа. Однако ствол мозга, спинной мозг и периферические ганглии этих мышей развиваются нормально, что предполагает, что участие каспаз в ПКД во время развития зависит от области мозга и типа клеток. Нокаут или ингибирование апоптотического протеазоактивирующего фактора 1 (APAF1) также приводит к порокам развития и увеличению эмбриональной летальности. Манипуляции с белками-регуляторами апоптоза Bcl 2 и Bax (переэкспрессия Bcl 2 или делеция Bax) приводят к увеличению числа нейронов в определенных областях нервной системы, таких как сетчатка, ядро тройничного нерва, мозжечок и спинной мозг. Однако ПКД нейронов, вызванная делецией Bax или переэкспрессией Bcl 2, не приводит к выраженным морфологическим или поведенческим нарушениям у мышей. Например, мыши с переэкспрессией Bcl 2 обычно имеют нормальные двигательные навыки и зрение и лишь демонстрируют нарушения в сложных формах поведения, таких как обучение и тревожность. Нормальные поведенческие фенотипы этих мышей предполагают, что может быть задействован адаптивный механизм для компенсации избыточных нейронов. Сходство асимметричного механизма гибели клеток у нематоды и пиявки указывает на то, что ПКД может иметь эволюционное значение в развитии нервной системы. У нематоды ПКД происходит в первый час развития, что приводит к элиминации 12% негонадальных клеток, включая нейронные линии. Гибель клеток у членистоногих сначала происходит в нервной системе, когда клетки эктодермы дифференцируются, и одна дочерняя клетка становится нейробластом, а другая подвергается апоптозу. Кроме того, гибель клеток, ориентированная на пол, приводит к различной иннервации нейронов конкретных органов у самцов и самок. У дрозофилы ПКД необходима для сегментации и спецификации во время развития. В отличие от беспозвоночных, механизм запрограммированной гибели клеток, как было обнаружено, более консервативен у позвоночных. Обширные исследования, проведенные на различных позвоночных, показывают, что ПКД нейронов и глии происходит в большинстве частей нервной системы во время развития. Она наблюдается до и во время синаптогенеза в центральной нервной системе, а также в периферической нервной системе. Хотя синаптическое усовершенствование в системах позвоночных в значительной степени зависит от ПКД, другие эволюционные механизмы также играют роль. В статье "APL регулирует идентичность сосудистой ткани в Arabidopsis" Мартин Бонке и его коллеги отметили, что одна из двух систем дальнего транспорта в сосудистых растениях, ксилема, состоит из нескольких типов клеток, "дифференциация которых включает в себя отложение сложных утолщений клеточной стенки и запрограммированную гибель клеток". Авторы подчеркивают, что продукты растительного ПКД играют важную структурную роль. Основные морфологические и биохимические особенности ПКД сохранились как в растительном, так и в животном царствах. Определенные типы растительных клеток осуществляют уникальные программы гибели клеток. Они имеют общие черты с апоптозом животных, например, деградацию ядерной ДНК, но также обладают своими особенностями, такими как ядерная деградация, вызванная коллапсом вакуоли в трахейных элементах ксилемы. Яннеке Балк и Кристофер Ливер из факультета растительных наук Оксфордского университета провели исследование мутаций в митохондриальном геноме клеток подсолнечника. Результаты этого исследования показывают, что митохондрии играют ту же ключевую роль в ПКД сосудистых растений, что и в других эукариотических клетках.

ПКД в пыльце предотвращает инбридинг

Во время опыления растения используют самонесовместимость (SI) как важный механизм предотвращения самооплодотворения. Исследования кукурузного мака (Papaver rhoeas) показали, что белки в пестике, на который попадает пыльца, взаимодействуют с пыльцой и запускают программируемую клеточную гибель (ПЦГ) в несовместимой (то есть собственной) пыльце. Исследователи Стивен Г. Томас и Верноника Э. Франклин Тонг также обнаружили, что реакция включает быстрое ингибирование роста пыльцевой трубки, за которым следует ПЦГ.

В слизистых формах

Социальная слизевая плесень Dictyostelium discoideum обладает уникальной способностью: в своей одноклеточной форме она может проявлять поведение, подобное хищной амёбе, или же объединяться в подвижную слизеподобную форму при распространении спор, из которых появится следующее поколение. Стебель состоит из мертвых клеток, переживших тип запрограммированной клеточной гибели (ПЦК), который имеет много общих черт с аутофагической гибелью клеток: образование массивных вакуолей внутри клеток, некоторая степень конденсации хроматина, но отсутствие фрагментации ДНК. Структурная роль остатков, оставленных мертвыми клетками, напоминает продукты ПЦК в растительных тканях. D. discoideum – это слизевая плесень, относящаяся к ветви, которая могла произойти от эукариотических предков примерно миллиард лет назад. По-видимому, она появилась после того, как предки зеленых растений, грибов и животных уже дифференцировались. Однако, помимо своего места на эволюционном древе, тот факт, что ПЦК наблюдается у скромной, простой, шестихромосомной D. discoideum, имеет дополнительное значение: это позволяет изучать путь развития ПЦК, который не зависит от каспаз, характерных для апоптоза.

Эволюционное происхождение митохондриального апоптоза

Возможна реализация запрограммированной гибели клеток у протистов, но это остается предметом споров. Некоторые относят гибель этих организмов к нерегулируемому апоптозу, подобному гибели клеток. Биологи давно предполагали, что митохондрии произошли от бактерий, которые были включены в качестве эндосимбионтов ("совместно живущих внутри") более крупных эукариотических клеток. Именно Линн Маргулис с 1967 года стала активно продвигать эту теорию, которая впоследствии получила широкое признание. Наиболее убедительным доказательством этой теории является тот факт, что митохондрии обладают собственной ДНК и снабжены генами и аппаратом репликации. Этот эволюционный шаг был рискованным для примитивных эукариотических клеток, начавших поглощать бактерии, производящие энергию, и опасным для предков митохондрий, начавших внедряться в своих протоэукариотических хозяев. Этот процесс по-прежнему наблюдается, например, между человеческими лейкоцитами и бактериями. В большинстве случаев вторгшиеся бактерии уничтожаются лейкоцитами; однако нередко химическая война, которую ведут прокариоты, оказывается успешной, приводя к инфекции и вызванному ею повреждению. Одно из таких редких эволюционных событий, произошедшее около двух миллиардов лет назад, позволило некоторым эукариотам и бактериям, производящим энергию, сосуществовать и извлекать взаимную выгоду из симбиоза. Эукариотические клетки, содержащие митохондрии, находятся в состоянии баланса между жизнью и смертью, поскольку митохондрии сохраняют свой набор молекул, способных запускать клеточное самоубийство. Неясно, почему апоптотический механизм поддерживается в существующих одноклеточных организмах. В настоящее время этот процесс эволюционировал таким образом, что происходит только при наличии сигнала. В ответ на воздействие на клетки (например, обратную связь от соседей, стресс или повреждение ДНК) митохондрии высвобождают активаторы каспаз, запускающие биохимический каскад, индуцирующий гибель клеток. Таким образом, механизм клеточного самоубийства имеет решающее значение для жизни каждого из нас.

Повреждение ДНК и апоптоз

Ремонт повреждений ДНК и апоптоз – два ферментативных процесса, необходимых для поддержания целостности генома человека. Клетки с дефицитом репарации ДНК склонны к накоплению повреждений ДНК, и если такие клетки также имеют дефекты в апоптозе, они, как правило, выживают даже при чрезмерных повреждениях ДНК. Репликация ДНК в таких клетках приводит к мутациям, которые могут вызывать рак (см. рисунок). Для восстановления различных типов повреждений ДНК эволюционировало несколько ферментативных путей, и было установлено, что в пяти хорошо изученных путях репарации ДНК определенные ферменты выполняют двойную функцию: одна – участие в восстановлении конкретного класса повреждений, а другая – индукция апоптоза, если уровень этих повреждений ДНК превышает возможности клетки по восстановлению.

c-Myc

c Myc участвует в регуляции апоптоза посредством подавления экспрессии гена Bcl-2. Его роль заключается в дезорганизации роста тканей.

Метастазы

Молекулярной характеристикой метастатических клеток является изменение экспрессии ряда генов, связанных с апоптозом.

Примечания и ссылки

Шривастава, Р. Э. в книге «Молекулярные механизмы» (Humana Press, 2007). Кирзенбаум, А. Л. и Трес, Л. Л. (под редакцией Маделен Хайд) (ELSEVIER SAUNDERS, Филадельфия, 2012).